物理实验第22卷第3期 外推法在物理实验设计中的应用 张平陆申龙 (1)常熟高等专科学校江苏常熟2155002)复旦大学物理系上海200433) 摘要介绍物理实验设计中的重要方法—外推法的起源及在科学实验研究中的意义,举例说明外推法在 探索性物理实验设计中的应用 关键词实验设计,外推法斜面实验粘度测量 中图分类号04-33 文献标识码B 文章编号1005-4642(2002)03-0023-04 A pplication of out-ex tend system in phys ical exper im en t-design ZHANG Ping lu shen-long 2) 1)Changshu H igher Techn ical College, Changshu, J iang su, 215500; 2)Departm ent of physics, Fudan u niversity, Shanghai 200433) Abstract The m portant m ethod in phy sical experm ent-design--The orig in of out-extend sy stem and its m ean ings in scientif ic stud ies of experm ents are introduced The app licat ons of outeextend sy stem in exp lo ratory experm ent-design of physics are in terp reted Key words experm ent-design, out-ex tend sy stem; inclined experm ent; visco sity m easure- 1外推法实验设计思想的起源 此,同一重物垂直下落比沿斜面下降具有更大 的力,这要看斜面下降的长度与垂直下落的长 用外推法处理物理问题探索物理规律,寻度成什么样的比例3既然力的大小与斜度 求实验条件之外的有关数据和结论,是一种重成一定比例,落体运动的研究就可以用斜面来 要的设计性实验方法外推法并不是新的课题,代替,按一定比例“冲淡”作用的力,“加长”运动 被誉为近代实验科学创始人的伽利略,在他的的距离,即:如果让一个铜球沿斜面滚下,斜面 一系列科学活动中都可以追寻到外推思想的踪越陡,球滚得越快,而在垂直面的极限情况下, 迹,在他探索落体运动定律和惯性定律的著名球沿着该面作自由落体运动于是,诞生了著名 “斜面实验”中,已经留下了外推思想的烙印:因的斜面实验·利用斜面实验伽利略建立了自由 为物体自由下落太快,而当时还没有准确记录落体定律,并且提出了类似于惯性原理的说法 物体在极短时间内运动状态的仪器,所以他试 伽利略用图1中小球的运动来说明他的思 图设计一种减缓物体下落速度的装置,在研究想:假设沿斜面AB落下的物体,以B点得到 斜面上物体的平衡问题时,他受到了启发,他的速度沿另一斜面BC向上运动则物体不受 说“同样的重物用斜面提升比垂直提升可以少BC倾斜的影响,仍将达到与A点同样的高度 用力,这要看垂直提升与倾斜提升的比例.因(这是等末速假设,已用理论和实验验证),只是 C1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co, Ltd All rights reserved
外推法在物理实验设计中的应用 张 平1) 陆申龙2) ( 1) 常熟高等专科学校 江苏 常熟 215500; 2) 复旦大学物理系 上海 200433) 摘 要: 介绍物理实验设计中的重要方法——外推法的起源及在科学实验研究中的意义, 举例说明外推法在 探索性物理实验设计中的应用Ζ 关键词: 实验设计; 外推法; 斜面实验; 粘度测量 中图分类号: O 4233 文献标识码:B 文章编号: 100524642 (2002) 0320023204 Application of out-extend system in physical exper im en t-design ZHAN G P ing1) LU Shen2long2) ( 1)Changshu H igher T echn ical Co llege, Changshu, J iangsu, 215500; 2) D epartm en t of Physics, Fudan U n iversity, Shanghai, 200433) Abstract: T he im po rtan t m ethod in physical experim en t2design—T he o rigin of ou t2ex tend system and its m ean ings in scien tific studies of experim en ts are in troduced. T he app lication s of ou t2ex tend system in exp lo rato ry experim en t2design of physics are in terp reted. Key words: experim en t2design; ou t2ex tend system; inclined experim en t; visco sity m easu re2 m en t 1 外推法实验设计思想的起源 用外推法处理物理问题, 探索物理规律, 寻 求实验条件之外的有关数据和结论, 是一种重 要的设计性实验方法Ζ外推法并不是新的课题, 被誉为近代实验科学创始人的伽利略, 在他的 一系列科学活动中都可以追寻到外推思想的踪 迹, 在他探索落体运动定律和惯性定律的著名 “斜面实验”中, 已经留下了外推思想的烙印: 因 为物体自由下落太快, 而当时还没有准确记录 物体在极短时间内运动状态的仪器, 所以他试 图设计一种减缓物体下落速度的装置, 在研究 斜面上物体的平衡问题时, 他受到了启发, 他 说:“同样的重物用斜面提升比垂直提升可以少 用力, 这要看垂直提升与倾斜提升的比例Ζ 因 此, 同一重物垂直下落比沿斜面下降具有更大 的力, 这要看斜面下降的长度与垂直下落的长 度成什么样的比例Ζ”[ 3 ]既然力的大小与斜度 成一定比例, 落体运动的研究就可以用斜面来 代替, 按一定比例“冲淡”作用的力,“加长”运动 的距离, 即: 如果让一个铜球沿斜面滚下, 斜面 越陡, 球滚得越快, 而在垂直面的极限情况下, 球沿着该面作自由落体运动Ζ于是, 诞生了著名 的斜面实验Ζ 利用斜面实验伽利略建立了自由 落体定律, 并且提出了类似于惯性原理的说法Ζ 伽利略用图 1 中小球的运动来说明他的思 想: 假设沿斜面A B 落下的物体, 以B 点得到 的速度沿另一斜面B C 向上运动, 则物体不受 B C 倾斜的影响, 仍将达到与A 点同样的高度 (这是等末速假设, 已用理论和实验验证) , 只是 物理实验 第 22 卷 第 3 期 32 © 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved
物理实验第22卷第3期 需要的时间不同而己.所以随着斜面倾角a的析和推导,而实验则是用来证明这种推导是正 减小,物体在斜面上的运动时间也变长,距离变确的,或者在这种理论的指导下获得实验条件 远,斜面倾角越小,则物体在斜面上运动的时间不能实现的某些结论·所以逻辑思辨和实验验 越长,行程更远·在极限情况下,当斜面倾角为证在运用外推法来处理问题时是缺一不可的 零,即成为水平面BF,则小球将以恒定的速度伽利略在验证落体定律时,当用实验证实了斜 在无限长的时间内一直运动到无限远 面倾角一定或斜面倾角改变时,小球滚下的距 离s与滚下的时间t之间的关系都符合s/= 常量时,如果直接将此结论外推到垂直下落的 极限情形(事实上,当时的斜面实验的倾角只能 被限制在较小的范围内),那是不确切的.只有 当小球沿斜面滚下时的加速度和垂直下落时的 图1斜面运动 加速度之间的数量关系被导出后,才能被完全 从伽利略发现落体定律及物体具有惯性特确认可见,用外推法来探索物理规律或处理问 性的过程中,可以领略到他从事科学研究方法题,必须将逻辑推理理论分析和实验验证紧密 的巧妙,特别是他多次运用的外推思想是留给地结合在一起,这也充分体现了物理学理论和 后人的宝贵财富由于实验条件的限制伽利略实验密不可分的特点.因此设计、研究外推法 在无法对自由落体运动进行直接定量测量的情在探索性实验中的应用,在今天强调素质教育 况下,用斜面实验“外推”到自由落体从而建立的新形势下,就显得更有必要了因为这些实验 了落体定律又用斜面实验“外推”到水平面,揭不仅能激发学生的学习兴趣,有助于培养学生 示了物体具有惯性的性质·这些都是伽利略外理论联系实际的综合能力,而且能开拓学生的 推思想的典型例子可以说,外推思想不仅对伽视野,激发他们的创新意识和创造能力 利略本身的科学研究起着重要作用,而且在指 外推法不但在物理实验研究方面有着重要 导我们的实验设计方面,也有着极其重要的现的地位,而且在其它科学实验研究领域中也能 实意义 大显身手例如,根据有限的资料可以对古代生 2外推法在科学实验研究中的意义及应用 物的生存方式、活动规律等作出估计和判断,甚 至还可以对未来进行预测,在高温测量、对浩翰 由伽利略的外推思想逐步发展形成的外推宇宙的探索等凡是被实验条件限制而不能直接 法,在科学实验研究领域中有十分重要的地位·检测的领域,外推法都有可能得到运用 所谓外推,就是从连续原理出发,根据已有的实 现举2例说明外推法在探索性物理实验设 验结果去获得超越实验范围的一些无法直接或计方面的应用 间接测量的结果在通常情况下,如果在有限的 1)落球法测定液体的粘度 实验条件下,只能在一定的范围内取得一系列 根据斯托克斯公式,在无限深广的液体中 实验数据,而有时需要研究的实验内容在该范如果小球的半径r和小球的下落速度y都比较 围之外,而要获得该范围之外的有关结论,可用小,那么液体对小球的粘滞阻力为 外推法 从目前有关文献可以看出,外推法仅作为式中7为液体的粘度,用来表征液体粘滞性的 “实验数据处理”的一部分其实不然,外推思想强弱小球在液体中下落时,如果是匀速下落 是科学实验设计与研究中的一种重要方法,它的,则小球受的重力mg、液体对小球的浮力 集逻辑思辨和用实验相互验证于一体·所谓逻PgV和粘滞阻力∫将达到力的平衡,即 辑思辨,就是运用逻辑推理的方法进行理论分 mg= Pgl+ rhr C1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co, Ltd All rights reserved
需要的时间不同而已Ζ 所以随着斜面倾角 Α的 减小, 物体在斜面上的运动时间也变长, 距离变 远; 斜面倾角越小, 则物体在斜面上运动的时间 越长, 行程更远Ζ 在极限情况下, 当斜面倾角为 零, 即成为水平面B F , 则小球将以恒定的速度 在无限长的时间内一直运动到无限远…… 图 1 斜面运动 从伽利略发现落体定律及物体具有惯性特 性的过程中, 可以领略到他从事科学研究方法 的巧妙, 特别是他多次运用的外推思想是留给 后人的宝贵财富Ζ由于实验条件的限制, 伽利略 在无法对自由落体运动进行直接定量测量的情 况下, 用斜面实验“外推”到自由落体, 从而建立 了落体定律; 又用斜面实验“外推”到水平面, 揭 示了物体具有惯性的性质Ζ 这些都是伽利略外 推思想的典型例子Ζ可以说, 外推思想不仅对伽 利略本身的科学研究起着重要作用, 而且在指 导我们的实验设计方面, 也有着极其重要的现 实意义Ζ 2 外推法在科学实验研究中的意义及应用 由伽利略的外推思想逐步发展形成的外推 法, 在科学实验研究领域中有十分重要的地位Ζ 所谓外推, 就是从连续原理出发, 根据已有的实 验结果去获得超越实验范围的一些无法直接或 间接测量的结果Ζ在通常情况下, 如果在有限的 实验条件下, 只能在一定的范围内取得一系列 实验数据, 而有时需要研究的实验内容在该范 围之外, 而要获得该范围之外的有关结论, 可用 外推法Ζ 从目前有关文献可以看出, 外推法仅作为 “实验数据处理”的一部分Ζ其实不然, 外推思想 是科学实验设计与研究中的一种重要方法, 它 集逻辑思辨和用实验相互验证于一体Ζ 所谓逻 辑思辨, 就是运用逻辑推理的方法进行理论分 析和推导, 而实验则是用来证明这种推导是正 确的, 或者在这种理论的指导下获得实验条件 不能实现的某些结论Ζ 所以逻辑思辨和实验验 证在运用外推法来处理问题时是缺一不可的Ζ 伽利略在验证落体定律时, 当用实验证实了斜 面倾角一定或斜面倾角改变时, 小球滚下的距 离 s 与滚下的时间 t 之间的关系都符合 söt 2 = 常量时, 如果直接将此结论外推到垂直下落的 极限情形(事实上, 当时的斜面实验的倾角只能 被限制在较小的范围内) , 那是不确切的Ζ 只有 当小球沿斜面滚下时的加速度和垂直下落时的 加速度之间的数量关系被导出后, 才能被完全 确认Ζ可见, 用外推法来探索物理规律或处理问 题, 必须将逻辑推理、理论分析和实验验证紧密 地结合在一起, 这也充分体现了物理学理论和 实验密不可分的特点Ζ 因此, 设计、研究外推法 在探索性实验中的应用, 在今天强调素质教育 的新形势下, 就显得更有必要了Ζ因为这些实验 不仅能激发学生的学习兴趣, 有助于培养学生 理论联系实际的综合能力, 而且能开拓学生的 视野, 激发他们的创新意识和创造能力Ζ 外推法不但在物理实验研究方面有着重要 的地位, 而且在其它科学实验研究领域中也能 大显身手Ζ例如, 根据有限的资料可以对古代生 物的生存方式、活动规律等作出估计和判断, 甚 至还可以对未来进行预测; 在高温测量、对浩翰 宇宙的探索等凡是被实验条件限制而不能直接 检测的领域, 外推法都有可能得到运用Ζ 现举 2 例说明外推法在探索性物理实验设 计方面的应用Ζ 1) 落球法测定液体的粘度 根据斯托克斯公式, 在无限深广的液体中, 如果小球的半径 r 和小球的下落速度 v 都比较 小, 那么液体对小球的粘滞阻力为 f = 6ΠΓv r (1) 式中 Γ为液体的粘度, 用来表征液体粘滞性的 强弱. 小球在液体中下落时, 如果是匀速下落 的, 则小球受的重力 m g、液体对小球的浮力 ΘgV 和粘滞阻力 f 将达到力的平衡, 即 m g = ΘgV + 6ΠΓv r 42 物理实验 第 22 卷 第 3 期 © 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved
物理实验第22卷第3 或 题,由于实验题目丰富的物理思想和内涵,因而 n=皿:pg (2)受到参赛教师和学生的一致好评 2)单摆周期的精确测量 由(2)可知,只要测出m,V,P,v,r,就可以计算 用单摆测定重力加速度实验中的周期公式 出液体的粘度但该公式的导出,是依赖于斯托通常为 克斯公式的,而斯托克斯公式只适用于在无限 深广的液体中运动的球,但实验却不可能在这 样一种理想的环境中进行·通常只能用一只直但它只是一个近似公式,如果忽略单摆悬线的 径有限的量筒,装满液体让小球在液体中降质量以及空气浮力和阻力的影响并将摆球视 落.因此实验结果存在一定的偏差 为质点,则当幅角为θ3时,单摆振动周期的精 为了估计这种偏差的大小,可取直径d不确解应为 同的几种小球在同一个量筒中进行实验研究 T= To(1+si L.2旦.132.4旦 可以发现对不同直径的小球,由(2)式求出的n 是不一样的.这是因为容器壁对不同直径的小 球产生着不同的影响.而在无限深广的理想状式中76=2Tg,可以看出,上述(4)式仅是 态的液体中做实验则无论球的直径如何的(5)式的近似公式只有当幅角B等于零时才 值应总是相同的.实验表明小球的直径越小,能完全成立但是在研究单摆周期时如果要作 器壁对它的影响也就越小.于是,可以想象,当精确测量,就必须使摆动幅角趋于零,这是根本 小球的直径趋于零时,器壁对小球的影响亦将不可能实现的而运用外推法就可以帮助我们 趋于零.此时,量筒中的液体相对小球来说也实现这种理想的状况为此,可取(5)式的二级 就可理解为“无限深广”的液体了,但是直径趋近似则振动周期可表示为 于零的小球是无法实现的,此时如果运用外推 T=T0(1+sn2) (6) 方法,就可以帮助我们实现这种理想的状况担 必需寻找η和小球直径的依赖关系.理论分析 (5)式中 及以后各项的值很小,如 和实验证明,在不考虑量筒的深度对落球的影果θ<15时,则当忽略此项时,引起的周期测 响时,测量液体粘度门与量筒直径D及小球直量的相对偏差将小于0.005%因而在国<15° 径d有如下关系 时可认为了=Tsm2且+r0.又因为r与 hn(1+24) sm22成线性关系,所以只要测出不同幅角a (2)式测量得到的粘度从(3)式可看出n和d时的振动周期r,并以周期r为纵轴s2且 式中几是液体的真实粘度,η是用落球法,即由 成线性关系因此可以用不同直径的小球测出横轴,作出29图线,再进行线性外推,当 若干个n并以n为纵轴d为横轴作出d图2→0时,即可获得截距T,即幅角为零时的单 线,再进行线性外推·当d→0时,直线在纵轴摆周期.用这种方法测得的重力加速度准确度 上的截距就是液体真实的粘度·同样如果采用很高.在复旦大学物理实验室测得的重力加速 一系列直径不同的量筒,对同一直径的小球进度为9794/2.而上海地区重力加速度的标 行实验,运用外推法,亦可测得真实的粘度·实准值为97940和m/s,两者相差很小 验证实了上述推理,用最小二乘法可以证明n 和d具有良好的线性关系.该实验题曾作为第 结束语 届全国中学生物理奥林匹克竞赛设计性实验 将外推法运用于设计性实验在实验教学中 C1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co, Ltd All rights reserved
或 Γ= (m - V Θ) g 6Πv r (2) 由(2) 可知, 只要测出 m ,V , Θ, v , r, 就可以计算 出液体的粘度Ζ但该公式的导出, 是依赖于斯托 克斯公式的, 而斯托克斯公式只适用于在无限 深广的液体中运动的球, 但实验却不可能在这 样一种理想的环境中进行Ζ 通常只能用一只直 径有限的量筒, 装满液体, 让小球在液体中降 落Ζ 因此实验结果存在一定的偏差Ζ 为了估计这种偏差的大小, 可取直径 d 不 同的几种小球在同一个量筒中进行实验研究Ζ 可以发现对不同直径的小球, 由(2) 式求出的 Γ 是不一样的Ζ 这是因为容器壁对不同直径的小 球产生着不同的影响Ζ 而在无限深广的理想状 态的液体中做实验, 则无论球的直径如何, Γ的 值应总是相同的Ζ 实验表明, 小球的直径越小, 器壁对它的影响也就越小Ζ 于是, 可以想象, 当 小球的直径趋于零时, 器壁对小球的影响亦将 趋于零Ζ 此时, 量筒中的液体相对小球来说, 也 就可理解为“无限深广”的液体了Ζ 但是直径趋 于零的小球是无法实现的, 此时如果运用外推 方法, 就可以帮助我们实现这种理想的状况Ζ但 必需寻找 Γ和小球直径的依赖关系Ζ 理论分析 和实验证明, 在不考虑量筒的深度对落球的影 响时, 测量液体粘度 Γ与量筒直径D 及小球直 径 d 有如下关系 Γ= Γ0 (1+ 2. 4 d D ) (3) 式中 Γ0 是液体的真实粘度, Γ是用落球法, 即由 (2) 式测量得到的粘度Ζ 从(3) 式可看出, Γ和 d 成线性关系, 因此可以用不同直径的小球测出 若干个 Γ, 并以 Γ为纵轴, d 为横轴作出 Γ2d 图 线, 再进行线性外推Ζ 当 d →0 时, 直线在纵轴 上的截距就是液体真实的粘度Ζ 同样如果采用 一系列直径不同的量筒, 对同一直径的小球进 行实验, 运用外推法, 亦可测得真实的粘度Ζ 实 验证实了上述推理, 用最小二乘法可以证明 Γ 和 d 具有良好的线性关系Ζ 该实验题曾作为第 一届全国中学生物理奥林匹克竞赛设计性实验 题, 由于实验题目丰富的物理思想和内涵, 因而 受到参赛教师和学生的一致好评Ζ 2) 单摆周期的精确测量 用单摆测定重力加速度实验中的周期公式 通常为 T 0= 2Π L g (4) 但它只是一个近似公式Ζ 如果忽略单摆悬线的 质量以及空气浮力和阻力的影响, 并将摆球视 为质点, 则当幅角为 Ηm 时, 单摆振动周期的精 确解应为 T = T 0 (1+ 1 4 sin2 Ηm 2 + 1 2 2· 3 2 4 2 sin4 Ηm 2 + …) (5) 式中 T 0= 2Π lög , 可以看出, 上述(4) 式仅是 (5) 式的近似公式, 只有当幅角 Ηm 等于零时才 能完全成立Ζ但是在研究单摆周期时, 如果要作 精确测量, 就必须使摆动幅角趋于零, 这是根本 不可能实现的Ζ而运用外推法, 就可以帮助我们 实现这种理想的状况Ζ 为此, 可取(5) 式的二级 近似, 则振动周期可表示为 T ′= T 0 (1+ 1 4 sin2 Ηm 2 ) (6) (5) 式中 1 2 2 · 3 2 4 2 sin4 Ηm 2 及以后各项的值很小, 如 果 Ηm < 15°时, 则当忽略此项时, 引起的周期测 量的相对偏差将小于 01005% Ζ 因而在 Ηm < 15° 时, 可认为 T = T 0 4 sin2 Ηm 2 + T 0Ζ 又因为 T 与 sin2 Ηm 2 成线性关系, 所以只要测出不同幅角 Ηm 时的振动周期 T , 并以周期 T 为纵轴, sin2 Ηm 2 为 横轴, 作出 T 2sin2 Ηm 2 图线, 再进行线性外推, 当 Ηm→0 时, 即可获得截距 T 0, 即幅角为零时的单 摆周期Ζ 用这种方法测得的重力加速度准确度 很高Ζ 在复旦大学物理实验室测得的重力加速 度为 9. 794m ös 2 Ζ 而上海地区重力加速度的标 准值为 9. 79407m ös 2 , 两者相差很小Ζ 3 结束语 将外推法运用于设计性实验在实验教学中 物理实验 第 22 卷 第 3 期 52 © 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved
物理实验第22卷第3期 有很重要的意义,运用这种实验手段通常可以量技术,以开扩视野 将难于测量量变换为比较容易测量量,而且提 参考文献 高测量的准确度.同时对测量仪器也提出了更 高的要求·例如在上述两例子中,为了使落球1[美]威·弗·马吉物理学原著选读M]北京商 能准确地沿量筒轴线下落,采用了以激光为光 务印书馆,1986 源的光电传感器,只有沿着轴线下落的小球才2丁士章等简明物理学史M1太原山西人民出版 能被采集到数据,同样,在测量单摆周期与幅角 社,1988 的关系时,由于由幅角变化引起的周期变化是3郭奕玲等物理学史M]北京清华大学出版社 十分微小的,因而用秒表几乎无法准确测量,借 4贾玉润等大学物理实验M↓上海:复旦大学出版 助于开关型集成霍尔传感器这一高科技的测时 社,1987 技术,可以准确测出这种微小的变化·所以,高5南京师范大学普通物理实验室普通物理实验教程 等学校开设此类实验,一方面可以让学生掌握 M南京南京师范大学出版社,1997 外推法实验思想的基本原理,以开拓思路,激发 (2001-09-06收稿) 创新意识另一方面能让学生接触到先进的测 (上接2页)60~80am的绝缘软导线,两端外线透过铜丝网(铜网要稀疏)照射锌板,都没 分别接到灵敏电流计A,B端,手拿导线的中间有电流显示对换直流高压电源的电极,仍用可 部分放入蹄型磁铁磁场中并做切割磁感应线运见光、红外线照射锌板,还是没有电流显示.当 动,灵敏电流计立即显示有感应电流可非常明用紫外线灯发射的紫外线照射到锌板上时,灵 显地验证磁场、导线运动速度、感应电流三者的敏电流计立即显示有电流关掉紫外线灯,灵敏 方向关系即右手定则·也可以用之定性验证法电流计显示没有电流(若对换直流高压电源的 拉第电磁感应定律 电极,再用紫外线照射锌板,也没有电流)这表 示例2:演示交流发电机原理 明电流是由于紫外线照射,使锌板上的电子摆 把交流发电机模型的输出端接到灵敏电流脱锌板束缚成为光电子(已成为离开锌板的自 计输入端A,B,使发电机的转子从中性面位置由电子),在外加电场的作用下飞向铜网而形成 开始旋转,先缓慢摇动发电机转子,摇一周,两的电流.直观地演示了光电效应现象 侧(左、右)发光二极管显示电流的大小、方向变 化一个周期再逐步加快转速,两侧发光二极管 交替显示也快且亮度(即电流)也较大但始终m,y 与电流值同步当转速快到一定程度以后,两侧 电子灵敏电流计 发光二极管交替闪光加快到两侧二极管几乎 直发光,无法分辨出其(电流)方向变化这正好 说明50Hz交流电通过灯泡而看不出灯光闪烁 图3光电效应演示电路 的道理指针式灵敏电流计不可能显示出来这5参考文献 样好的效果 示例3:演示光电效应现象 1杨军闪光式交变电流演示仪[物理实验,1994, 演示电路接线如图3.先用可见光光源、红 14(4):166167 (2001-09-20收稿,2001-12-28收修改稿) c1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co, LId. All rights reserved
有很重要的意义, 运用这种实验手段通常可以 将难于测量量变换为比较容易测量量, 而且提 高测量的准确度Ζ 同时对测量仪器也提出了更 高的要求Ζ 例如: 在上述两例子中, 为了使落球 能准确地沿量筒轴线下落, 采用了以激光为光 源的光电传感器, 只有沿着轴线下落的小球才 能被采集到数据; 同样, 在测量单摆周期与幅角 的关系时, 由于由幅角变化引起的周期变化是 十分微小的, 因而用秒表几乎无法准确测量, 借 助于开关型集成霍尔传感器这一高科技的测时 技术, 可以准确测出这种微小的变化Ζ 所以, 高 等学校开设此类实验, 一方面可以让学生掌握 外推法实验思想的基本原理, 以开拓思路, 激发 创新意识; 另一方面能让学生接触到先进的测 量技术, 以开扩视野Ζ 4 参考文献 1 [美]威·弗·马吉. 物理学原著选读[M ]. 北京: 商 务印书馆, 1986 2 丁士章等. 简明物理学史[M ]. 太原, 山西人民出版 社, 1988 3 郭奕玲等. 物理学史[M ]. 北京: 清华大学出版社, 1993 4 贾玉润等. 大学物理实验[M ]. 上海: 复旦大学出版 社, 1987 5 南京师范大学普通物理实验室. 普通物理实验教程 [M ]. 南京: 南京师范大学出版社, 1997 (2001209206 收稿) (上接 22 页) 60～ 80cm 的绝缘软导线, 两端 分别接到灵敏电流计A ,B 端, 手拿导线的中间 部分放入蹄型磁铁磁场中并做切割磁感应线运 动, 灵敏电流计立即显示有感应电流, 可非常明 显地验证磁场、导线运动速度、感应电流三者的 方向关系即右手定则Ζ 也可以用之定性验证法 拉第电磁感应定律Ζ 示例 2: 演示交流发电机原理 把交流发电机模型的输出端接到灵敏电流 计输入端A ,B , 使发电机的转子从中性面位置 开始旋转, 先缓慢摇动发电机转子, 摇一周, 两 侧(左、右) 发光二极管显示电流的大小、方向变 化一个周期Ζ再逐步加快转速, 两侧发光二极管 交替显示也快且亮度(即电流) 也较大, 但始终 与电流值同步Ζ当转速快到一定程度以后, 两侧 发光二极管交替闪光加快到两侧二极管几乎一 直发光, 无法分辨出其(电流) 方向变化Ζ这正好 说明 50H z 交流电通过灯泡而看不出灯光闪烁 的道理. 指针式灵敏电流计不可能显示出来这 样好的效果Ζ 示例 3: 演示光电效应现象 演示电路接线如图 3Ζ先用可见光光源、红 外线透过铜丝网(铜网要稀疏) 照射锌板, 都没 有电流显示Ζ对换直流高压电源的电极, 仍用可 见光、红外线照射锌板, 还是没有电流显示Ζ 当 用紫外线灯发射的紫外线照射到锌板上时, 灵 敏电流计立即显示有电流Ζ关掉紫外线灯, 灵敏 电流计显示没有电流(若对换直流高压电源的 电极, 再用紫外线照射锌板, 也没有电流) Ζ这表 明电流是由于紫外线照射, 使锌板上的电子摆 脱锌板束缚成为光电子(已成为离开锌板的自 由电子) , 在外加电场的作用下飞向铜网而形成 的电流Ζ 直观地演示了光电效应现象Ζ 图 3 光电效应演示电路 5 参考文献 1 杨军. 闪光式交变电流演示仪[J ]. 物理实验, 1994, 14 (4): 166～ 167 (2001209220 收稿, 2001212228 收修改稿) 62 物理实验 第 22 卷 第 3 期 © 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved